Для авиакомпаний одной из самых затратных статей расходов является взлёт самолета, так как вслед за оплатой труда они тратят большинство средств на авиационное топливо. Именно при взлёте самолеты потребляют наибольшее количество горючего и, соответственно, производят максимальный выброс токсичных веществ в окружающую среду.
Устройство для повышения подъёмной силы, называемое «механизацией крыла», может помочь сократить потребление топлива самолётами. В широком понимании механизация крыла представляет собой подвижную плоскость — закрылок, который увеличивает подъемную силу в процессе полёта, но чаще всего задействуется при взлёте и посадке.
Эффективность устройства механизации крыла положительно влияет на лётно-технические характеристики самолёта и позволяет сократить эксплуатационные расходы. Повышение коэффициента подъёмной силы на 1% способствует увеличению полезной нагрузки на 1 тонну у больших самолётов.
Задача
Понять, для чего нужно эффективное устройство механизации крыла – просто, однако создать модель воздушного потока, необходимую для его проектирования – более сложная задача. Высокоточное моделирование воздушного потока при различных положениях элементов устройства механизации требует учёта таких явлений как переходные режимы в погранслое, отрыв и присоединение потока, а также взаимодействие следа с пограничным слоем. Кроме того, расчёт должен разрешать исследуемые процессы, а решатель вычислительной газодинамики должен обладать достаточно высокой производительностью.
Моделирование предъявляет высокие требования к работе вычислительных систем, а также нуждается в мощном и точном ПО для имитации сложных физических процессов.
«Этот проект демонстрирует, что сложные аэродинамические расчёты подъёмной силы могут быть с высокой точностью вычислены благодаря ПО ANSYS Fluent при работе на суперкомпьютерной системе Cray XC.» - заявляет Вим Слагтер, ведущий руководитель направления HPC и облачных альянсов в компании ANSYS.
Cray и поставщик ПО вычислительной гидрогазодинамики, компания ANSYS, совместно проработали два варианта тестовых расчётов, представленных на форуме AIAA CFD High Lift Prediction Workshop (HiLiftPW).
Технический комитет AIAA по прикладной аэродинамике с помощью тестовых расчётов оценил возможности предсказательного моделирования области вычислительной гидрогазодинамики нынешнего поколения для стреловидных крыльев со средним и высоким соотношением размаха к их ширине при посадке и взлёте.
В тестовых вариантах HiLiftPW-3 оценивались две конфигурации закрылков:
- Сеточная сходимость на модели NASA High-Lift Common Research Model исследовалась на четырёх уровнях измельчения сетки: грубая (~ 18 миллионов ячеек), средняя (~ 47 миллионов ячеек), мелкая (~ 118 миллионов ячеек) и сверхмелкая (~ 397 миллионов ячеек) с двумя углами атаки (8, 16 градусов)
- Установка гондолы и элементов крепления на модели JAXA Standard Model, выполненная в стандартной посадочной конфигурации с опорными кронштейнами и пилоном гондолы в положении вкл/выкл на шести углах атаки (4,360, 10,470, 14,540, 18,580, 20,590, 21,570 градусов) с использованием сетки высокого уровня подробности (~ 165 миллионов ячеек)
Решение
Решение таких трудных задач в адекватные сроки требует использования большого количества вычислительных ядер. Например, для расчёта одной модели на 165 миллионов ячеек было задействовано 2200 ядер.
ПО ANSYS® Fluent® позволяет задействовать множество ядер, используя технологию распараллеливания на основе MPI. Эффективность параллельной работы большого количества ядер зависит от скорости перемещения больших объемов данных между ними. Система Cray® XC ™ в свою очередь максимизирует скорость межпроцессорной связи, позволяя ядрам тратить всё время на вычисления.
Одной из ключевых особенностей системы XC является интерконнект Aries ™, обладающий низким уровнем задержки и высокой пропускной способностью. Технология Aries обеспечивает эффективное масштабирование при выполнении «тяжёлых» расчётов, независимо от других операций, выполняемых в системе.
Вместе с технологией Aries система XC использует собственную библиотеку MPI, оптимизированную для использования специфических функций интерконнекта. ПО ANSYS Fluent работает на базе библиотеки Cray MPI, и, следовательно, может обеспечивать максимальную эффективность распараллеливания. Кроме того, используется программная среда Cray Linux, в которую входит фирменный набор системного ПО для выполнения высокопроизводительных расчетов и операционная система. Данная среда оптимизирована таким образом, что создает минимальную дополнительную нагрузку на систему и позволяет передавать максимальное количество ресурсов непосредственно на расчёт.
Результаты
Результаты вычислений, ставших возможными благодаря суперкомпьютерной мощности Cray XC и полученных с помощью ANSYS Fluent, показали превосходную производительность.
Например, один расчёт с 189 миллионами ячеек завершился менее чем за два часа. Результаты расчётов были экспериментально подтверждены на низкоскоростной аэродинамической трубе JAXA и показали отличное совпадение данных. Сравнение производилось по показаниям аэродинамических сил, моментов и коэффициентов давления наряду с визуализацией методом масляной плёнки.
Текст переведён специалистами CADFEM CIS. Источник